原文作者：王洪

　　四　用途广泛的太阳能电池
　　所谓太阳能电池，实质上就是一种把光能变换成电能的能量转换器。这种电池是利用“光生伏打效应”的原理制造出来的。所谓光生伏打效应，是指当某些物质受到光的照射时，物质内部会出现电动势或电流的现象。例如，当阳光照射半导体的pn结时，就会在pn结的两边出现电压。如果我们用导线把pn结连接起来，就会出现电流。
　　所谓半导体，是指那些导电能力介乎导体(如银、铜、铝等各种金属)和不导电的绝缘体(如橡胶、塑料等)之间的物质，如硅、锗等元素的晶体，都是半导体。两种不同类型的半导体结合在一起，在其结合界面处就形成了pn结。
　　我们知道，一切物质的原子，都是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的。电子循着一定的轨道围绕着原子核旋转，就像行星围绕着太阳旋转一样。硅原子的外层有4个电子。它们都受到原子核引力的约束，每个电子都有其固定的旋转轨道。
　　但是，当太阳光照射在硅原子上时，其外层电子在外来能量的激发之下，就会摆脱原子核引力的束缚而离开原有的旋转轨道，成为自由电子，并且同时在它原来所在的部位留出一个空位，科学家称之为“空穴”。正因为电子是带负电的，所以空穴就表现为带正电的。在纯净的硅晶体内，自由电子和空穴在数目上是相等的。
　　如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、镓、铝等杂质元素，那么它就变成了“空穴型的”半导体，用符号p表示；如果在硅晶体中掺入能够施放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么它就变成了“电子型的”半导体，用符号n表示。Www.11665.COm若是把这两种半导体结合在一起，则会由于电子和空穴的相互扩散而在交界面处形成pn结，同时在结的两边形成“内建电场”。由于这里的电阻值特别高，所以也称之为“阻挡层”。
　　当阳光照射pn结时，半导体的原子由于获得了光能而释放出电子，从而出现了电子一空穴时对，并在内建电场的作用下而将电子驱向n型区，同时将空穴驱向p型区。这样，在n型区便有过剩的电子，而在p型区则有过剩的空穴。在这种情况下，就在pn结的附近形成了与原来的内建电场方向相反的“光生电场”。这个光生电场除了抵消原来内建电场的作用以外，还使p型区带正电，n型区带负电。于是，在n型区和p型区之间就产生了电动势，从而出现了“光生伏打效应”。此时若是将外电路接通，便会有电能输出。
　　单个太阳能电池不能直接作为电源来使用。在实际应用中，是将几片或几十片单个的太阳能电池串联或并联起来，组成太阳能方阵，这样便能获得相当大的电能。
　　目前实际使用的太阳能电池，大多是在n型硅单晶体的小片上用扩散法渗进一层硼，以得到pn结，然后再加上电极便成了太阳能电池。这种硅太阳能电池的光电转换效率约为18％。大批量生产时的太阳能电池，其效率只有10％左右。虽然太阳能电池的效率较低，其成本也较高，但这种电池的可靠性好，使用寿命长，没有转动部件，使用维护方便，所以得到了广泛应用。
　　太阳能电池起初主要应用于空间技术领域，后来才扩展到其它领域。据统计，世界上90％以上的人造卫星和宇宙飞行器都是采用太阳能电池供电的。美国近些年来研制的新型太阳能电池，在地面上的光电转换率为35.6％，在宇宙空间为30.8％。澳大利亚利用激光技术研制的太阳能电池，在不聚焦的条件下其光电转换率可达24.2％，成本只相当于柴油发电的水平。
　　单晶硅太阳能电池是目前所用太阳能电池的典型代表，它的光电转换效率较高，工作性能稳定可靠，可进行批量生产，应用较为普遍。
　　在太阳能电池方阵中，通常还装有蓄电池，这是为了保证在夜晚及阴雨天能够连续供电的一种储能装置。当太阳光照射的时候，太阳能电池所产生的电能除了满足当时的需要之外，还把多余的电能储存于蓄电池内。
　　太阳能电池为人造卫星和宇宙飞行器提供了方便而可靠的能源。1954年美国人皮尔逊等在贝尔实验室制成了世界上第一个硅太阳能电池以后，1958年美国就发射了第一颗用太阳能供电的“先锋”1号卫星。现在，在各式各样的人造卫星和宇宙飞行器上都安设了布满太阳能电池的铁翅膀，使它们得以在浩瀚无际的宇宙空间远航高飞。[论文网]
　　人造卫星和宇宙飞行器上的电子仪器设备很多，对电源的要求比较苛刻：要求电源的重量轻；使用寿命长；能连续不断地进行工作；并能承受各种冲击、碰撞和振动的影响。太阳能电池完全能够满足这些要求，是人造卫星和宇宙飞行器的理想能源。
　　根据人造卫星对电源的特殊要求，通常将太阳能电池整齐地排列在电池板上，组成太阳能电池方阵。当人造卫星向着太阳运行时，电池方阵受太阳光照射而产生电能，给卫星供电，并且同时给卫星上的蓄电池充电；当人造卫星背着太阳运行时，蓄电池放电，以确保卫星上的仪器设备能够连续地进行工作。
　　我国早在1958年就着手于太阳能电池的研制工作，并于1971年将我国自制的太阳能电池用在我国发射的第二颗人造卫星上。这颗人造卫星在太空中正常运行了8年多。
　　太阳能电池还代替燃油而应用于飞机上。世界上第一架完全利用太阳能电池作动力的“太阳挑战者”号飞机，已经在国外试飞成功，其飞行时间长达4.5小时，飞行高度达4000米，飞行速度为60千米／小时。在这架飞机的尾翼和水平翼表面上，装有1.6万多个太阳能电池，其最大能量输出为2.67千瓦。它是将太阳能变成电能，用电能来驱动单叶螺旋桨旋转，使飞机在空中飞行。
　　以太阳能电池为动力的小型汽车，已经在墨西哥试制成功。这种汽车的外形像一辆三轮摩托车，其车顶上架设了一个装有太阳能电池的大蓬。在阳光照射下，汽车以太阳能电池作为动力，以40千米／小时的速度向前行驶。不过，这辆汽车每天所获得的电能只能供它行驶40分钟，所以它还不能投入正常运行。这是有待于进一步改进之处。
　　1984年9月，我国也成功地试制成“太阳”号太阳能汽车。这标志着我国太阳能电池的研制工作已达到国际先进水平。此外我国还把太阳能电池用于给小型电台的通信机充电。当在野外使用小型电台而无交流电源可供利用时，便可启用这种太阳能电池小型电台充电器。这种充电器使用起来极为方便，深受用户欢迎。

　　太阳能电池也可以应用于电话。有的国家在公路旁边的每一根电线杆的顶端安装一块太阳能电池板，将阳光变成电能，然后给蓄电池充电，供电话机连续使用。蓄电池每充一次电可连续使用36个小时。由于太阳能电话安装起来较为简便，成本低廉，能实现无人管理，还能避免雷击，所以有不少国家，都在山区、边远地带、沙漠地带以及其它能源缺乏的地区，大力发展以太阳能电池为电源的电话。
　　芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，它是通过安装在房屋顶上的太阳能电池板来提供电能的。同样也可以将一部分电能储存于蓄电池内，供夜晚及阴雨天使用。
　　太阳能电池也可作为电视差转机的电源。电视差转机是既能接收来自主台的电视信号，又能将这种信号经过变频、放大之后再发射出去的一种电视转播装置。
　　我国地域辽阔，一些远离电视

发射台的边远城镇、山区和海岛等，往往收不到电视节目，需要设置电视差转输电线路来进行供电，则势必投资很大，因而采用太阳能电池来供电是最合适的。电视差转机使用太阳能电池作电源，可以做到建台快而投资省，并且使用维护方便，可以实行无人看守管理。目前我国已经建成了一些用太阳能电池作电源的电视差转台，很受用户欢迎。
　　太阳能的应用越来越广泛。今天，只要是太阳光能够照射到的地方，就可以利用太阳能。尤其是那些能源短缺的孤岛、山区和沙漠地带，更是可以利用太阳能电池来进行照明、抽水以及海水淡化等，此外对于灯塔照明、航标灯、铁路信号灯、畜牧用的电围栏、杀灭害虫的黑光灯、机场跑道识别灯、太阳能手术灯、气象站电源、河流监测和森林火灾预报等等，太阳能电池都大有用武之地。
　　五　池塘也可用来发电
　　谁能相信，小小的池塘居然也可以用来发电!从原理上说，只要池塘中有水，那么它在阳光的照射下，就可以用来进行发电。人们把这种发电方式叫做“太阳池发电”。所谓太阳池，就是利用太阳光来使水池中的水变热，以便将太阳能收集并贮存起来。这种太阳能集热方法，与太阳能热水器的原理颇为相似。不过，用太阳能热水器来贮存大量的热能，需要另设蓄热槽，而太阳池则不同，它本身就可以充当贮存热能的蓄热槽。
　　一般的水池，当阳光照射时，池水就会变热，并引起水的对流，即热水上升而冷水下沉。在温度较高的水不断地从池塘底部升到池面的过程中，便通过蒸发和反射而将热能释放到空气中，这样就使得池中的水温大体上保持不变。但无论天气多么热，也无论经过的时间多么长，水温总是比周围的气温要低。为了提高池中的水温，人们想过许多办法，其中，利用盐水蓄热的办法是最行之有效的。这种利用盐水蓄热来提高水温的办法，最初是受到一种自然现象的启示而产生的。那是在1902年，科学家们在考察罗马尼亚的一个浅水湖的时候无意中发现，越是靠近湖底其水温就越高。即便是在夏末秋初的时候，湖底的水温有时也高达70℃。后来在其它一些湖泊中人们也看到了类似的现象。人们在惊异之余，很自然地提出了这样的问题：为什么会出现这种现象呢?
　　经过一段时间的分析研究之后，人们终于揭开了这个奥秘。原来，湖底水温之所以升高，正是由于湖水中含有盐分，而且是越近湖底处的水所含盐分的浓度就越大。如果湖水不含盐分，那么湖底处的热水本应该往上升(因为热水的比重比冷水的小)而形成上下对流。但是，正由于湖水中含有盐分，而当其所含盐分的浓度较大时，水的比重也较大，因而湖底含盐浓度较大的热水自然就难以上升，这样一来就打乱了湖水的“热升冷降”的循环过程。当湖水无法形成对流时，热量便在湖底处蓄积起来，并且越积越多，而湖面比重较小的一层水，就如同“锅盖”那样，将湖底的热能严严实实地封住。于是乎，湖底的水温就会越来越高，可用来进行发电。
　　在上个世纪50年代，以色列的科学家们就曾提出过建造太阳池电站的设想。70年代初，在以色列的特尔阿比卜市郊建造了第一座太阳池电站的实验设备。这座电站的水池面积为1250平方米，其最大发电能力为6千瓦。在70年代末，以色列又在死海西南岸附近开辟了一个面积达7000平方米的水池，并进行了发电试验，其最高输出功率可达150千瓦，而池底的水温最高可达80℃。
　　以色列后来又在死海北岸附近的沙漠中建造了一座大型太阳池电站。这座电站拥有两个太阳池：其中一个是由人工挖成的，池水面积约200平方米；另一个是利用天然洼地建造的，其池水面积达21.5万平方米。两个太阳池的水深均为4米。为防止池水渗入池底沙层中，在池底铺设了一层聚乙烯薄膜。太阳池中的水可分为三层：最底层是蓄热层，里面注入的是含盐浓度为27.5％的死海海水(一般海水的平均含盐浓度只有3.5％)。这种高浓度的盐水吸收阳光热能后蓄存起来，其水温有时可达90℃以上。中间层是被称做“心脏部位”的盐水层，它是由多种不同浓度的盐水一层层地依次重叠在一起而构成的，越是往上其盐分浓度就越低，比重也越小。这一层盐水的主要作用在于防止上下对流，同时吸收来自蓄热层的红外线。最上面一层池水为覆盖层，它由淡水(从地下抽上来的)组成，其作用是防止在刮风、下雨或起浪的情况下盐水层(中间层)遭到破坏；它同时又像一个巨大的“罩子”，用以阻止热量的散失。对于这种大面积的太阳池，为了确保其水面不起浪，以色列人还在水面上设置了一层用塑料制成的“防浪网”。
　　美国一所大学做过类似的实验：他们向一个小而浅的池塘里加进一些盐，在阳光的照射下，池塘里的水上下翻动，到后来水面不断地冒小泡，用温度计一量，水温高达90℃，快要达到沸腾了!可以将这种热水抽出来供取暖和工农业生产使用，也可以用它来进行发电。
　　如何将盐水池的热能转换成电能?这正是太阳池电站所要完成的任务。
　　发电所用的热能来自盐水池的蓄热层(下层)的热水。当这种热水的温度达到一定的数值后，用水泵将它抽出池外，然后送进蒸发器的螺旋管里，利用热水的热能将环绕蒸发器的低沸点有机液体(如沸点只有40℃左右的氟利昂)加热，使其气化，再利用这种气体驱动气轮机转动，带动发电机组进行发电。
　　从气轮机出来的氟利昂气体，通过冷凝器之后就变成了液体，然后再被送回蒸发器。至于通过蒸发器而被降温以后的热水，则通过专门的管道被送回蓄热层的底部。以色列建造的死海太阳池电站，运转情况良好，并创造了发电能力高达2500千瓦的好成绩，这也为它实施宏伟的“地中海一死海发电计划”创造了有利条件。死海的水位比地中海的水面低400米左右，如果从地中海挖一条通向死海的水渠，那么地中海的海水就会流入死海。而地中海海水的盐分浓度约为3.5％，这比死海海水的盐分浓度低得多。这样，在通过适当调节之后，便可形成太阳池发电所需要的不同浓度的盐水层。这样一来，就把整个死海都变成了用来发电的“大太阳池”，估计其发电能力可高达150万千瓦。以色列计划在本世纪末或下一世纪之初，使太阳发电能力达到200万千瓦的水平。
　　太阳池发电为进一步开发利用太阳能开辟了新的途径。同太阳能热发电、太阳光发电等发电方式比较起来，太阳池发电的突出优点是：①建造发电站的成本较低，几乎不需要使用价格昂贵的不锈钢、玻璃和塑料一类的材料，只要有一处浅水池和发电的设备就行了。②它能够将大量的热量贮存起来，可以常年不断地利用阳光进行发电，即便是在夜晚和阴雨天也能照常进行。③发电成本低。
　　专家们认为，太阳池发电是所有太阳能应用技术中最为廉价和最便于推广的一种新技术。
　　在美国，一个由政府资助的科学家组织对全国进行了调查，以确定太阳池发电计划和建造这种发电站的地址。美国已开辟了10个太阳池，供研究试验之用，以大发明家爱迪生的姓氏命名的一家美国电力公司，在加利福尼亚的萨尔顿湖建造了一座发电能力为5000千瓦的太阳池电站。美国还计划把洛杉矶西部的一个湖泊变成太阳池，建造一座太阳池电站，预计其发电能力可达60万千瓦，能满足35万人生活用电的需要。
　　还可以利用太阳池来供应热水和取暖。美国在俄亥俄州的迈阿密斯堡，开辟了一个面积为2000平方米的太阳池，专门为一幢大楼和一家游泳场供应热水。
　　澳大利亚开辟了一个面积为3000平方米的太阳池。利用它

来进行发电，以便为偏僻地区供电，并用于进行海水淡化和温室供暖等。
　　日本农林水产省土木试验场开辟了四个8米见方而深度为2.5～3米的太阳池，用以为温室栽培和水产养殖提供热能。东京工业大学和名古屋工业试验所等单位都在加紧对太阳池发电的研究试验，太阳池的应用范围在不断扩大。
　　在太阳池的推广应用中，科学家们也对它可能出现的问题进行了研究。就当前的实际应用情况来看，太阳池在发电和供热方面都还存在某些不足之处。例如，仅为一个3500人口的居民区供应5000千瓦的电力，所需要的水池面积就达0.65平方千米，而且还要求池水中的含盐浓度达13.5％以上。这个含盐浓度几乎接近海水平均含盐量的4倍。